Numeración de los terminales para encapsulados de 14 y 16 pines
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En esta sección presentamos esquemas para construir un temporizador programable. Si lo desea puede descargar este documento para verlo sin conexión: Proyecto temporizador
El proyecto consiste en un reloj digital y un interruptor electrónico o relé controlado por el reloj. El interruptor se activa o desactiva en las horas que se han programado con un único intervalo diario posible. Debido a la complejidad del montaje no hay planes para añadir ninguna otra funcionalidad, en su lugar quizá desarrolle una versión para CPLD con funcionalidades más avanzadas.
El diseño se ha realizado con circuitos integrados CMOS estándares de la serie 4000 ampliamente disponibles en cualquier tienda de componentes electrónicos. Se ha diseñado para funcionar con baterías con un consumo muy reducido, puede alimentarse de 3V a 18V.
He dividido los esquemas en partes funcionales que implementan funciones específicas y se pueden analizar separadamente. Cada esquema presentado tiene las referencias correspondientes a los otros para que no exista ninguna ambigüedad al interconectar los circuitos. He montado y probado todos los circuitos.
Cada circuito viene acompañado de una explicación que describe su funcionamiento, para montar y utilizar el temporizador no es necesario entenderlas, sólo ha de saber soldar correctamente.
No olvide conectar las alimentaciones a todos los circuitos integrados, dichas alimentaciones no se muestran en los esquemas pero han de conectarse. Para circuitos integrados en encapsulados de 14 pines conecte el positivo al pin 14 y el negativo (masa) al pin 7 y para los de 16 pines conecte el positivo al pin 16 y el negativo al pin 8. Preste atención de seguir la numeración correcta de los terminales:
El circuito puede funcionar con un voltaje de alimentación comprendido entre 3V y 18V. El condensador del circuito de Reset ha de poder soportar la tensión de alimentación y la resistencia mostrada en el circuito Display está calculada para 5V, para alimentaciones de mayor tensión debería utilizar valores superiores (vea la sección Display).
Tenga cuidado al manejar los circuitos integrados porque son muy sensibles a descargas de electricidad estática (ESD). Mientras no estén montados es muy aconsejable mantenerlos en una bolsa antiestática o envolverlos en papel de aluminio.
El corazón del temporizador son tres registros contadores que guardan la hora actual y las horas de inicio y fin programadas. Estos registros se implementan mediante dos circuitos integrados 4518 cada uno, como puede ver en el esquema se utilizan puertas lógicas I (4081) y diodos 1N4148 que forman una puerta lógica O para diseñar el circuito que generará las señales de reset necesarias para que los minutos realicen la cuenta de 00 a 59 y las horas 00 a 23.
Dentro de cada 4518 hay dos contadores independientes, de esta forma se reducen el número de circuitos integrados necesarios. Cada circuito integrado se identifica en los esquemas por el número Uxx (por ejemplo U23, U24, ...) mientras que el sufijo (A, B) identifica a cuál de los dos contadores del circuito integrado se refiere. Esta nomenclatura se utiliza a lo largo de todos los esquemas.
El 4518 es un contador decimal, decimal significa que cuenta de 0 a 9 a diferencia de un contador binario que cuenta de 0 a 15. De esta forma ya tenemos las unidades de minutos en U20B. El siguiente paso son las decenas de minutos, se utiliza U20A y se ha de incrementar en uno cada vez que los minutos vuelven de 9 a 0. Para conseguirlo conectamos la entrada de reloj invertida (pin 2 de U20A) a la salida del cuarto bit (pin 14 de U20B). Cuando las unidades de minuto (U20B) vuelven de 9 a 0 el cuarto bit pasa de 1 a 0 y esto hace incrementar las decenas de minutos (U20A) dado que esa entrada de reloj es invertida e incrementa en el flanco de bajada.
De esta manera el conjunto formado por U20 contaría de 00 a 99 y lo que necesitamos es que cuente de 00 a 59. Para reiniciar la cuenta a 00 cuando llega a 60 se añade U25B, esta puerta lógica I activará la salida cuando U20A tenga valor 6 (es el primer valor en tener activados el segundo y tercer bit (pines 4 y 5). Al activarse la salida de U25B se reinician a 0 ambos contadores en U20 mediante sus entradas de reset asíncronas (pines 7 y 15). Los diodos D7 y D8 implementan una O lógica de manera que los contadores se pueden reiniciar por el procedimiento descrito o bien mediante una entrada de reset externa. La resistencia R13 mantiene las entradas de reset inactivas mientras los diodos no conducen ya que de lo contrario quedarían en alta impedancia y podrían activarse solas (en CMOS jamás se debe dejar una entrada sin conectar).
Se utiliza el mismo principio que se ha descrito para diseñar el contador de horas de 00 a 23. La puerta lógica I U18B activará la salida cuando el contador U19A contenga valor 2 y U19B llegue a 4 (al llegar a 24 se reiniciará inmediatamente a 00).
Mediante las entradas hr_start y mn_start será posible modificar el valor de las horas y los minutos contenidos en este registro de encendido del interruptor del temporizador. Las salidas stdata se mostrarán en una pantalla led de 7 segmentos para ver y modificar la hora configurada. La entrada reset permite establecer la hora a 00:00.
Este registro es idéntico al registro de hora de inicio previamente descrito.
Este registro es prácticamente igual a los anteriores excepto por un cable adicional para que las horas incrementen una unidad cuando los minutos vuelven de 59 a 00. De esta forma funciona como un reloj real. La salida de U25D se activa cuando los minutos vuelven de 59 a 00 y mn_time está activo, es decir el botón de avance de los minutos no está pulsado, así cuando el incremento de los minutos es por el botón no se realizará el incremento de horas. En la entrada min/osc se recibe un pulso por minuto procedente de un circuito oscilador, comportándose como un reloj digital de verdad.
Para generar la señal min/osc se utiliza un oscilador basado en cristal de cuarzo:
El cristal de cuarzo XTAL1 oscila a 32768 Hz gracias al búfer inversor de U14, este circuito integrado además divide la oscilación a 2 Hz y U26 la divide hasta 1 Hz y 1 pulso por minuto. U26 (4024) es un contador binario que en este circuito realiza la cuenta de 0 a 119, dado que recibe 2 pulsos por segundo realiza una vuelta completa en 1 minuto. Los diodos D13, D14, D15, D16 y la resistencia R19 forman una puerta lógica I de 4 entradas y su salida se activa cuando el contador activa las salidas Q3, Q4, Q5 y Q6 a la vez, esto es el valor "1111000" o 120 en decimal. Así proporciona un pulso cada minuto en la salida min/osc y cada segundo en sec/osc.
Este circuito permite al usuario ver los valores contenidos en los tres registros descritos anteriormente.
Este circuito se ha de replicar cuatro veces, una para cada dígito de 7 segmentos de la pantalla. En el resto de circuitos se indica un número tras el nombre del nodo que indica a cuál de los cuatro circuitos va conectado:
El 4511 es un conversor de binario a 7 segmentos. Activará los segmentos necesarios en la pantalla led de 7 segmentos para mostrar el número binario que se entra en los pines 7, 1, 2 y 6. Los 4019 son selectores y eligen cuál de las tres entradas es la que llega al 4511, esto sirve para elegir cuál de los tres registros (registro de hora de inicio, hora de fin u hora actual) es el que se muestra en la pantalla.
Para la resistencia R9 se sugiere 470 ohmios para alimentación de 5V. El valor óptimo es el más alto que produce suficiente brillo en los leds para satisfacer al usuario, esto dependerá del tipo de leds utilizados y la tensión de alimentación. Tenga en cuenta que valores más bajos producen más brillo y aumentan el consumo y si se alimenta de baterías reducirá su duración.
Este circuito controla los selectores del circuito de Pantalla led para decidir cuál de los registros se muestra en la pantalla. Se trata de un desplazador de bits controlado con un pulsador.
Se basa en un 4018 que es un desplazador de bits universal, en cada pulsación por el pin 14 este integrado desplaza los bits una posición. Se utilizan puertas lógicas XNOR (O exclusiva negada) como inversores ya que se aprovechan dos libres que quedan en el integrado 4077 utilizado para otro circuito (hay cuatro en un integrado). U34B actúa de antirebote para el pulsador, este flip-flop J-K también quedaba libre de otro circuito (hay dos en un 4027). Muchas gracias a Stefan Krommes quién me ayudó con problemas de rebotes en los pulsadores.
La señal de reset, activa sólo en el momento del encendido, provoca la inicialización del registro desplazador con los valores introducidos en los pines P0, P1, P2, P3 y P4. Como puede observar se introduce el patrón "0111" y dado que las salidas son invertidas inicialmente será "1000" (P4 / Q4 no se utiliza). En cada pulsación del botón function se desplaza una posición a la izquierda el valor contenido en el registro, quedando "0001" tras la primera pulsación, "0010" tras la segunda y así sucesivamente se van activando cada una de las salidas. Inicialmente queda activada la salida time mostrándose el registro de hora actual en la pantalla. Tras la primera pulsación se muestra la hora de inicio, en la siguiente pulsación la hora de fin y con otra pulsación se activa blank que apaga la pantalla para reducir el consumo. Este circuito realiza la función equivalente a un selector mecánico pero es más barato y resulta en una interfaz más bonita.
Para establecer la hora en cada uno de los tres registros que conforman el temporizador este circuito se basa en las señales de control generadas en el circuito anterior para decidir el registro al que se envían las pulsaciones de los botones de avance de horas y minutos.
U16 son latches R-S que actúan de antirebotes para los pulsadores y se utiliza su entrada de activación (enable) para deshabilitar los botones cuando la pantalla está en estado apagado. U15 es un descodificador pero en este circuito se puede ver como un selector, según las señales de control elige las salidas donde tienen efecto los botones de puesta en hora.
Como se ha visto anteriormente es necesaria una señal de inicialización en el encendido del temporizador para establecer los valores iniciales en algunos registros. Para generar dicho pulso este circuito tan simple funciona correctamente:
En el momento del encendido C1 está descargado y por lo tanto la salida reset se halla al mismo voltaje de alimentación ya que en un condensador descargado no hay caída de tensión. A medida que C1 se carga a través de R16 su tensión aumenta hasta que la salida reset cae a tensión de masa y por lo tanto queda inactiva. Bien, no es una señal perfectamente cuadrada pero funciona correctamente.
Este es un circuito importante en este proyecto. Según las horas establecidas en los registros de inicio y fin y la hora actual, este circuito decide si activa o no el interruptor del temporizador para encender o apagar el/los aparatos que se quieren controlar.
El 4585 es un comparador universal, en este circuito se utiliza para comparar si la hora actual coincide con la hora de inicio (primera fila) o coincide con la hora de fin (segunda fila). Cuando la hora actual coincide con la de inicio se activará el pin 3 de U29 y el flip-flop J-K U34A se activará, quedando la salida p switch activa y n switch inactiva. Por el contrario, cuando la hora actual coincide con la hora fin se activará el pin 3 de U33 y el flip-flop se desactivará quedando las salidas en el estado opuesto al anterior. Si se establece la hora de inicio y fin iguales cuando la hora actual coincida la salida cambiará de estado cada segundo.
Este circuito puede generar una salida incorrecta en el momento que el usuario está modificando los registros. No he previsto ninguna forma de solucionarlo, tras 24h en funcionamiento se corregirá por si solo.
Hay una puerta lógica I sin utilizarse.
Las entradas no utilizadas de los circuitos integrados CMOS han de conectarse a alimentación o masa o de lo contrario podrían oscilar o quedar en estados intermedios y malgastar energía. En este caso he decidido conectar las entradas a alimentación porque está disponible en el pin adyacente y solo es necesario soldar entre si los pines 12, 13 y 14. Asegúrese que el pin 11 queda sin conectar porque se trata de una salida.
En esta sección se exponen algunos circuitos típicos para conmutar la alimentación a una carga. Se puede utilizar cualquier otro circuito siempre que se pueda controlar con la señal de conmutación del temporizador, dicha señal es una salida CMOS de baja corriente con capacidad de entregar hasta 1 mA dependiendo del chip (vea sus especificaciones). La señal está disponible con lógica positiva en el pin 14 de U34A (p switch) y con lógica negativa en el pin 15 (n switch).
Este circuito de un único transistor se puede utilizar para conmutar cargas alimentadas a una tensión continua de hasta 45V y con un consumo no superior a 100 mA. La fuente de alimentación de la carga puede ser la misma que la que alimenta el temporizador u otra siempre que no exceda la tensión máxima colector-emisor del transistor (45V para el BC547). Recuerde que este circuito no aísla y por lo tanto la carga comparte masa con el temporizador.
Puede utilizar un transistor BC109 o BC547BP para incrementar la corriente disponible a 200 mA. El BC109 soporta un máximo de 20V colector-emisor. El diodo marcado en rojo es opcional y debe instalarse si la carga es inductiva (por ejemplo la bobina de un relé) para absorber el pico de tensión generado en la desconexión. Este circuito puede utilizarse para controlar un relé y conmutar cargas de mayor tensión y corriente. Si alimenta el circuito con baterías tenga en cuenta que se descargarán rápidamente si el relé permanece activo por períodos prolongados de tiempo.
La baja corriente que suministra la salida CMOS es suficiente para conmutar un transistor BC547. Con una ganancia mínima de 150 una corriente por la base de 1 mA es suficiente para conducir 100 mA en saturación. BC109 o BC547BP tienen una ganancia mínima de 200 y soportan 200 mA de corriente.
Se puede añadir un segundo transistor para incrementar la corriente a 1 A:
Esta configuración se denomina Darlington. El primer transistor amplifica una corriente muy pequeña (1 mA) lo suficiente para polarizar el segundo transistor con más corriente y permitirle conducir hasta 1 A dentro de su región de saturación. Para conmutar corrientes elevadas el transistor TIP29 necesita un disipador de calor ya que puede disipar hasta 1 W. Con este circuito caerán 0,9V en Q2 mientras está en conducción.
Un problema conocido es que el transistor de potencia Q2 disipará una cantidad considerable de calor debido a que no está completamente saturado. Para alimentaciones menores de 14V esto se puede mejorar con esta variante:
En esta variante la corriente que polariza Q2 se toma directamente de la alimentación en lugar del colector del transistor, de esta forma el transistor siempre estará completamente saturado. El inconveniente ahora es que dicha corriente no forma parte del consumo de la carga y por lo tanto es un consumo adicional, sin embargo la mayor eficiencia del transistor Q2 al conducir la corriente lo compensan. En este circuito caerán 0,2V en Q2 y por lo tanto ahora disipará menos calor. Para alimentaciones superiores a 14V la potencia disipada en R2 excede la que disiparía Q2 en el circuito anterior Transistor doble I y por lo tanto en este caso es más adecuado el circuito mencionado.
El valor para R2 depende de la tensión de alimentación y se puede calcular así:
R2 (ohmios) = (tensión de alimentación − 0,9) / 0,07
Esta resistencia puede disipar hasta 1 W de potencia.
Este circuito es un interruptor de estado sólido basado en un Triac y puede utilizarse únicamente para conmutar cargas alimentadas con corriente alterna. Consume de 3 a 6 mA de la alimentación del temporizador mientras está activo y mantiene aislamiento entre los bornes de red y los circuitos del temporizador. Utilice y pruebe este circuito con mucho cuidado porque está sometido a tensiones peligrosas.
Los nodos AC load se han de conectar como si se tratara de un interruptor, intercalado en uno de los dos cables entre la red y la carga. El nodo supply es la alimentación del temporizador (tensión continua entre 3V y 18V) y preste atención a que el colector de Q2 es lo único en este circuito que se conecta a la masa del temporizador.
Este circuito puede conmutar hasta 8 amperios de corriente. El Triac necesita un disipador de calor dependiendo de la corriente que se necesite controlar, puede disipar hasta 14 W a 8 amperios lo que resulta en un disipador con capacidad de 5,5 °C/W. Cuando la salida está apagada existe una pequeña corriente de fuga, jamás toque los bornes de salida aún estando apagada.
El optoacoplador U1 aísla galvánicamente el circuito del temporizador del interruptor de potencia conectado a la red. R1 limita la corriente que alimenta el led del optoacoplador, cuando se activa el transistor del optoacoplador cortocircuita a masa la débil corriente que polarizaba Q1. Con este transistor en corte, R5 dispara el tiristor (SCR) que queda en estado de conducción cortocircuitando la salida del puente rectificador. La corriente por el rectificador es suficiente para crear una caída en R6, cargar el condensador C1 y disparar el Triac que cerrará el circuito para que la corriente circule hacia la carga. C2 y R7 forman un filtro para mejorar la conmutación. El Triac utilizado puede no quedar en corte completamente para cargas menores de 60 mA.
Si se alimenta el temporizador con pilas o baterías es muy importante apagar la pantalla led cuando no se está programando (pulsando el botón de función hasta que la pantalla se apaga), dado que la pantalla encendida incrementa notoriamente el consumo del circuito. Estos son los consumos medidos funcionando a 5V:
He utilizado este temporizador para encender y apagar automáticamente el árbol de navidad y como despertador.
Proyecto realizado en Agosto de 2002 por Jeroni Paul.
Copyright © 2002 Jeroni Paul.